合金元素Mo、Ni對(duì)X70管線鋼管性能和焊接性影響研究*

張銀根，齊麗華，宋朋利，王迎新，陳越峰，周 揚(yáng)

(1.國(guó)家管網(wǎng)建管公司江蘇濱海項(xiàng)目部 江蘇 鹽城 224500; 2.中國(guó)石油集團(tuán)工程材料研究院有限公司，石油管材及裝備材料服役行為與結(jié)構(gòu)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 陜西 西安 710077)

0 引 言

截至2019年底，全球在役油氣管道約3 500條，原油管道總長(zhǎng)約33×104km，成品油管道總長(zhǎng)約26×104km，天然氣干線管道總長(zhǎng)約124×104km。其中，天然氣干線管道總長(zhǎng)度前5名國(guó)家分別為：美國(guó)42×104km，俄羅斯19×104km，加拿大6×104km，中國(guó)4.8×104km和烏克蘭4×104km。我國(guó)油氣管道總里程達(dá)到了13.9×104km，其中天然氣管道約8.1×104km，原油管道約2.9×104km，成品油管道約2.9×104km[1-2]。隨著油氣輸送管線用鋼的強(qiáng)度等級(jí)和管徑逐漸增大，管道輸送壓力逐漸提高，對(duì)管道現(xiàn)場(chǎng)焊接技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)[3-5]。近期，管道工程建設(shè)中對(duì)鋼管的微合金元素提出新的要求，按國(guó)家管網(wǎng)新建管道DEC標(biāo)準(zhǔn)和原中石油在役管道執(zhí)行的CDP舊標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)的直縫埋弧焊鋼管中鎳(Ni)、鉬(Mo)等微合金元素成分存在不一致情況。但對(duì)同種軋制和制管工藝下，其它合金成分一致，Ni、Mo等微合金元素對(duì)X70管體性能和環(huán)焊接頭性能的綜合影響尚未見(jiàn)報(bào)導(dǎo)[6-12]。鑒于此，為掌握Nb、Ni、Mo微合金元素對(duì)X70直縫埋弧焊鋼管和環(huán)焊性能的影響規(guī)律，特開(kāi)展此項(xiàng)研究工作，以提高管體性能和環(huán)焊性能，保障管道建設(shè)的安全運(yùn)營(yíng)。

1 化學(xué)成分

試驗(yàn)用兩種合金成分鋼管均為同一鋼廠和管廠生產(chǎn)，分別為含Nb、Ni、Mo的X70直縫埋弧焊鋼管，鋼管規(guī)格為914 mm×19.1 mm和含Nb，無(wú)Mo、Ni的X70直縫埋弧焊鋼管，鋼管規(guī)格為914 mm×18.9 mm。試驗(yàn)鋼管的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1 X70鋼管和制管焊縫的合金成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %

2 鋼管力學(xué)性能和微觀組織研究

分別取兩種成分鋼管做管體橫向和縱向棒拉、縱向板拉試驗(yàn)。棒狀試樣尺寸為Φ10 mm×50 mm，板狀試樣尺寸為38.1 mm×50 mm。國(guó)家管網(wǎng)DEC-NGP-S-PL-003-2022-3《輸氣管道工程鋼管通用技術(shù)規(guī)格書》要求屈服強(qiáng)度485～610 MPa，拉伸強(qiáng)度570～730 MPa，管體沖擊功單值最小120 J，均值最小140 J，制管焊縫和熱影響區(qū)沖擊功單值最小60 J，均值最小80 J。

2.1 拉伸性能

圖1(a)和1(b)為圓棒試樣橫向和縱向拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線?？梢?jiàn)，管體橫向拉伸的應(yīng)力-應(yīng)變曲線帶有屈服平臺(tái)，含Mo、Ni管體橫向圓棒試樣的屈強(qiáng)強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度均高于不含Mo、Ni鋼管，屈服強(qiáng)度大約高30～40 MPa，抗拉強(qiáng)度大約高20～30 MPa，見(jiàn)圖1(a)中的實(shí)線和虛線。管體縱向圓棒拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線，含Mo、Ni元素的為典型的round-house曲線，無(wú)明顯的屈服平臺(tái)，不含Mo、Ni元素的有一定的屈服平臺(tái)，且含Mo、Ni元素鋼管管體的縱向圓棒試樣的屈強(qiáng)強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度均高于不含Mo、Ni元素鋼管，屈服強(qiáng)度大約高30～40 MPa，抗拉強(qiáng)度大約高10～30 MPa。無(wú)Mo、Ni元素鋼管的縱向拉伸延伸率略高于含Mo、Ni元素鋼管的伸長(zhǎng)率。圖1(c)為縱向板狀拉伸試樣的應(yīng)力應(yīng)變曲線，可知，含Mo、Ni元素鋼管縱向板狀試樣的屈服強(qiáng)度和拉伸強(qiáng)度均高于不含Mo、Ni元素鋼管，屈服強(qiáng)度大約高10～30 MPa，抗拉強(qiáng)度大約高10～20 MPa，伸長(zhǎng)率較為接近。說(shuō)明Mo、Ni微合金元素有利于提高管體的拉伸強(qiáng)度性能。

圖1 圓棒試樣橫向和縱向、板拉縱向的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

2.2 沖擊性能

圖2為兩種合金成分的管體縱向(BM-Z)、管體橫向(BM-H)、制管焊縫(CM-WM)和熱影響區(qū)(CM-FL)的沖擊性能和剪切面積的柱狀圖?？梢?jiàn)，含Mo、Ni元素管體橫向沖擊性能單值和均值均高于不含Mo、Ni元素鋼管。含Mo、Ni元素管體埋弧焊縫的沖擊功遠(yuǎn)大于不含Mo、Ni的沖擊功，均值高約100 J。含Mo、Ni元素管體縱向性能均值低于無(wú)Mo、Ni鋼管，單值略有差異，兩種合金元素的焊縫熱影響區(qū)沖擊韌性均值相同。沖擊功剪切面積也可具有相同的規(guī)律，如圖2(b)所示。含Mo、Ni元素與不含Mo、Ni元素管體的沖擊功剪切面積在管體縱向、管體橫向和焊縫熱影響區(qū)都比較接近，其中含Mo、Ni元素管體橫向和管體縱向略高于無(wú)Mo、Ni元素管體。但含Mo、Ni元素焊縫的剪切面積大于不含Mo、Ni的剪切面積，均值約高20%?？傮w說(shuō)，Mo、Ni元素有利于提高鋼管的韌性。

圖2 不同位置區(qū)域沖擊吸收能力和剪切面積

2.3 金相分析

在管體和埋弧焊縫截面取金相試樣，經(jīng)硝酸酒精溶液浸蝕后用OLS 4100激光共聚焦顯微鏡和MEF4M金相顯微鏡及圖像分析系統(tǒng)觀察管體、焊縫、熱影響區(qū)微觀組織。分析結(jié)果如下： 1)管體金相組織如圖3所示，均由準(zhǔn)多邊形鐵素體和粒狀貝氏體組成，兩者的晶粒尺寸相當(dāng)。但含Mo、Ni的管體晶粒尺寸更加細(xì)小，且晶粒內(nèi)部存在更多的亞晶界組織。不含Mo、Ni元素的管體組織晶粒尺寸略大。說(shuō)明含Mo、Ni元素有利于提高組織的淬透性，增加亞晶界，獲得良好的管體韌性(圖2)。2)制管埋弧焊縫接頭組織：制管焊縫接頭宏觀組織及微觀組織分析結(jié)果見(jiàn)如圖4和圖5所示。焊縫區(qū)組織均為IAF+PF+B粒。

圖3 管體微觀組織

圖4 埋弧焊接接頭粗晶區(qū)微觀組織

圖5 埋弧焊接接頭焊縫區(qū)微觀組織

由圖4～圖5可知，含Mo、Ni的試驗(yàn)鋼管的埋弧焊縫粗晶區(qū)組織與無(wú)Mo、Ni的試驗(yàn)鋼管較為接近，這也說(shuō)明了含Mo、Ni的試驗(yàn)鋼管的埋弧焊縫熱影響區(qū)的沖擊功和剪切面積與無(wú)Mo、Ni的試驗(yàn)鋼管的結(jié)果相近。且含Mo、Ni鋼管的埋弧焊縫組織比較細(xì)小，且PF組織分布較少，且因熱影響區(qū)組織有個(gè)別尺寸較小的情況，這與粗晶區(qū)組織受熱后與管體原始組織有一定的承襲性有關(guān)，見(jiàn)圖4中的虛線圓圈處；無(wú)Mo、Ni的試驗(yàn)鋼管的埋弧焊縫組織的PF組織分布較多。從焊縫組織形貌和分布說(shuō)明含Mo、Ni的試驗(yàn)鋼管的埋弧焊縫區(qū)的沖擊功和剪切面積遠(yuǎn)大于無(wú)Mo、Ni的試驗(yàn)鋼管的埋弧焊縫。

3 環(huán)焊縫組織和性能

采用氣保護(hù)藥芯焊絲上向焊接方法(FCAW-G↑)進(jìn)行兩種合金成分鋼管的對(duì)接環(huán)焊適應(yīng)性試驗(yàn)研究，宏觀金相照片及根焊、填充焊和焊縫熱影響區(qū)粗晶區(qū)(CGHAZ)各部位的顯微組織如圖6所示。

由圖6可知，無(wú)Mo、Ni環(huán)焊焊口為8層10道，含Mo、Ni元素的環(huán)焊焊口為7層8道，即含Mo、Ni元素的環(huán)焊接頭的熱輸入低于無(wú)Mo、Ni元素的焊口。兩個(gè)焊口焊縫區(qū)域的組織均為IAF+B粒+PF。根焊組織中由于其冷卻速度遠(yuǎn)高于填蓋焊道，組織晶粒更加細(xì)小，且受填充焊道的再熱處理過(guò)程，因此其板條鐵素體的比例較高。且Mo元素有利于提高淬透性，所以含Mo、Ni元素的根焊晶粒尺寸更加細(xì)小，如圖6(a)所示。含Mo、Ni元素焊口的填充焊的奧氏體晶粒略小于無(wú)Mo、Ni焊口，其組織為典型的欄柵針狀鐵素體形態(tài)，如圖6(b)所示。含Mo、Ni元素焊口的CGHAZ的晶粒尺寸小于無(wú)Mo、Ni元素焊口，且后者的CGHAZ晶界上有典型的鏈狀M-A組織析出，降低該部分的沖擊性能，如圖6(c)所示。

圖6 FCAW-G焊口焊縫填充焊顯微組織

兩種合金成分焊口不同位置的沖擊性能如圖7所示。測(cè)試溫度為-10 ℃，測(cè)試位置為焊縫中心(WM)、熔合線(FL)-2mm、FL-1mm、FL、FL+1mm和FL+2mm。由圖7可見(jiàn)，即使含Mo、Ni合金元素鋼管環(huán)焊的焊接道次顯著少于無(wú)Mo、Ni合金元素鋼管的焊接道次，即含有Mo、Ni元素環(huán)焊焊口的焊接熱輸入顯著高于無(wú)Mo、Ni焊口，但兩者熔合線處的沖擊韌性相當(dāng)，且含Mo、Ni元素有利于提高韌性和淬透性，其韌性值略高于后者。兩者均符合國(guó)家管網(wǎng)管道工程DEC-NGP-G-WD-002-2020-1《油氣管道工程線路焊接技術(shù)規(guī)定》標(biāo)準(zhǔn)單值最小38 J，均值最小50 J的要求。因FCAW-G的焊接熱輸入較低(一般為1.0-2.0 kJ/mm)，冷卻速度快導(dǎo)致該區(qū)域的組織脆化程度低，因而熱影響區(qū)沖擊性能較好。

圖7 FCAW-G焊口不同位置的夏比沖擊功

FL+1mm和FL+2mm即環(huán)焊熱影響區(qū)細(xì)晶區(qū)(IGHAZ)，焊接過(guò)程中該位置最高溫度分別達(dá)到900 ℃和700 ℃左右，即使較高熱輸入條件下，含Mo、Ni合金元素焊口的IGHAZ的沖擊性能仍略高于無(wú)Mo、Ni焊口。進(jìn)一步說(shuō)明Mo、Ni合金元素有利于提高鋼管的環(huán)焊性能，同時(shí)也說(shuō)明含Mo、Ni管材受不同溫度加熱后，得到的組織沖擊性能好于同工藝條件下的無(wú)Mo、Ni管材的性能。

4 結(jié) 論

通過(guò)相同制管工藝下兩種合金體系的X70級(jí)鋼管組織和性能的對(duì)比研究，以及同種環(huán)焊工藝下的環(huán)焊適應(yīng)性研究分析，得到如下結(jié)論：

1)兩種合金成分的管體、制管焊縫、對(duì)接環(huán)焊的組織和性能均滿足管道工程要求，且管體有很高的拉伸強(qiáng)度和沖擊韌性。

2)含Mo、Ni合金元素的管體橫向、縱向拉伸性能略高于無(wú)Mo、Ni合金元素的管體拉伸性能，含Mo、Ni合金元素的管體橫向沖擊性能高于無(wú)Mo、Ni合金元素的管體性能。

3)含Mo、Ni合金元素的制管焊縫的沖擊性能略高于無(wú)Mo、Ni鋼管，兩者熱影響區(qū)的沖擊功均值相當(dāng)。

4)在相同環(huán)焊工藝下，即使較高的焊接熱輸入下，含Mo、Ni元素的焊口粗晶區(qū)的晶粒尺寸小于無(wú)Mo、Ni元素焊口，說(shuō)明鋼管含Mo、Ni元素，有利于提高其環(huán)焊焊口熔合線和熱影響區(qū)的沖擊性能。同時(shí)鏈狀的M-A組織在無(wú)Mo、Ni元素焊口的粗晶區(qū)分布，進(jìn)一步降低了該區(qū)域的沖擊性能。